第1章 総論
1.データ社会の壁:演算性能をスポイルする「移動のコスト」
2.パラダイムシフト宣言:デバイス構造から「材料設計」への回帰
3.多自由度の統合という新たな視座:クロス・コリレーションの開拓
4.光電融合が描く未来:アーキテクチャの再定義
5.光電融合材料全体の市場規模予測
【図・表1.光電融合材料全体の国内およびWW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)】
【図・表2.光電融合材料の技術分野別WW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)】
【図・表3.光電融合材料の技術分野別国内市場規模予測(金額:2025-2050年予測)】
6.光電融合材料の最前線(1)~総論:光電融合がもたらす新たな材料パラダイム~に関連する民間企業・大学等の取組動向
6-1.NTT株式会社
(1)光電融合が求められる背景:配線容量の壁と電力の壁
(2)単一材料の限界と「良いとこ取り」の発想
(3)鍵となる革新:メンブレンフォトニクス技術
【図1.従来のレーザー構造(左)と、圧倒的な薄膜化と高速化・低消費電力化を達成したメンブレンレーザー構造(右)の比較】
(4)メンブレン技術が導く研究成果
【図2.メンブレンレーザーチップアレイ】
(5) IOWN構想へ向けた展望
【図3.ネットワーク&コンピューティングを支えるメンブレン技術を用いたデバイスの発展】
6-2.国立研究開発法人産業技術総合研究所(AIST)
(1)はじめに:増大するデータセンター電力問題と光電融合の必要性
(2) AIST 光電融合研究センターの使命
【図4. AISTにおける光通信技術開発の歩み】
(3) 5つの研究チームによる多角的アプローチ
【図5.AISTの近年の代表的研究成果事例】
【図6.光電融合技術のロードマップ】
(4)産業界との協業プラットフォーム:「次世代グリーンDC協議会」と「光電コパッケージ技術検討部
(5)開発者へのメッセージ:日本の強みを活かすチャンス
【図7.AIST Siフォトニクス コンソーシアムの概要】
6-3.国立大学法人東京科学大学
(1)急拡大するデータセンター市場:事業者構造から見える本質
【表1.世界の主要上場データセンターREITの比較】
(2)短距離配線の進化:光電融合への切実なニーズ
【図8.短距離光通信の概念】
(3)次世代インターフェース「CPO」とその実現課題
【図9.CPOの概念図】
(4)接続技術の革新:三次元ポリマー細線が拓く未来
(5)まとめ:産業構造を理解した上での研究開発
6-4.国立大学法人東北大学/国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
(1)現代情報社会の限界と新たな情報担体への要請
(2)スピン空間構造:半導体における波動性情報担体
【図10.波動性情報担体(電子スピン空間構造)による多重表現と並列情報処理の概念】
(3)光電融合を実現するための技術基盤
(4)応用シナリオと産業インパクト
【図11.車載ECUにおける光通信導入と光電融合情報処理の適用イメージ】
(5)他技術との比較における位置づけ
【表2.波動性情報担体(電子スピン波)による多重表現と並列情報処理の概念】
(6)今後の展開と社会実装への道筋
(7)結び:光電融合材料が拓く新たな情報基盤
7.光電融合材料の最前線(1)~総論:光電融合がもたらす新たな材料パラダイム~に関する課題と将来展望
7-1.課題
(1)光と電子の物理階層のギャップ
(2)材料体系の分断と統合設計の未成熟
(3)モデリングと実験の乖離
(4)産業実装へのスケールアップ課題
7-2.将来展望
(1)光・電子・スピン・フォノンの多自由度統合設計
(2)AI・データ駆動による融合設計基盤の確立
(3)異分野協働による新産業創出
(4)光電融合による新パラダイムの社会実装
第2章 シリコンフォトニクスを超える光材料群
1.融合の礎としてのシリコンフォトニクスとその「限界点」
2.光材料の「特性マップ」:機能特化型材料の台頭
3.「シリコンを超える」ための異種材料融合
4.統合アーキテクチャの台頭:材料性能から「界面の地政学」へ
5.光電融合材料の最前線~シリコンフォトニクスを超える光材料群~に関する市場規模予測
【図・表1.シリコンフォトニクスを超える光材料群の国内およびWW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表2.シリコンフォトニクスを超える光材料群の技術分類別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表3.シリコンフォトニクスを超える光材料群の技術分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表4.シリコンフォトニクスを超える光材料群の用途分野別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表5.シリコンフォトニクスを超える光材料群の用途分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
6.光電融合材料の最前線(2)~シリコンフォトニクスを超える光材料群~に関連する民間企業・大学等の取組動向
6-1.学校法人慶應義塾大学
(1)はじめに:生成AI時代が求める「光と半導体の新たな統合」
(2)ポリマー光導波路の特徴と作製技術
【図1.ポリマー光導波路を用いたオンボード光リンクのコンセプト】
(3)シリコンフォトニクスとの接続技術:スポットサイズ変換(SSC)が鍵
【図2.テーパ導波路型スポットサイズコンバーター(SSC)】
【図3.ポリマー導波路によるピッチ変換(Fan-out)の概念】
(4) CPOへの応用と設計指針
【図4.光リンク損失のバランスシート(概念)】
(5)今後の展望と開発者へのメッセージ
6-2.国立大学法人東京大学
(1)光スキルミオン:トポロジカルに保護された特殊光ビーム
【図5.光スキルミオンビーム生成器で観測された光スキルミオン。
リング上の回折格子の周期数を変えることでスキルミオンを特徴づける
スキルミオン数が制御可能】
(2)幅広導波路の実現とトポロジカル波導
【図6.ヘテロ構造VPhC導波路】
【図7.「幅広いモード面積」と「遅い光速度」という両方の特性を併せ持つ、
世界初のスローライト導波路への応用に成功】
(3)今後の展望
6-3.学校法人日本大学
(1)周波数変換パラダイムの転換
(2)電気光学変調(EO)コムと周波数変換ギアの概念
【図8.電気光学変調(EO)コムと周波数変換ギアの概念を示した模式図】
(3)光からマイクロ波変換による極低ノイズマイクロ波源の開発
(4)マイクロ波から光制御による高速分光法の開拓
(5)オンチップ光RFシンセサイザーによる通信技術の革新
(6)まとめ
6-4.国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(QST)
(1)はじめに:光そのものがプロセッサになる時代へ
(2)超高速処理技術:光電場で電子状態をペタヘルツで操る
【図9.SALMONによるダイナミカルフランツ・ケルディッシュ効果のシミュレーション例。
駆動光の電場(青)と、それによって誘起される光吸収の変化(オレンジ)。
低強度では応答に位相遅れが生じている】
【図10.テラヘルツ光による励起子応答のサブサイクル変調実験。
テラヘルツ駆動光場(上段)と、それに誘起された励起子吸収の変化】
(3)高効率処理技術:スピン・バレーの自由度を光で制御する
【図11.二次元TMDCのバレー選択励起。
(a)TMDCと似た構造を持つグラフェンのバンド構造。
(b)モリブデナイトのバンド構造。K点とK'点はエネルギー等価だが、
円偏光に対する選択則が異なる】
(4)融合技術:超高速×高効率の光電融合アーキテクチャ
(5)まとめ:光で物性を書き換える次世代情報処理へ
7.光電融合材料の最前線(2)~シリコンフォトニクスを超える光材料群~に関する課題と将来展望
7-1.課題
(1)シリコン固有の光学的制約
(2)異種材料の結合困難性
(3)ナノ構造精度と損失制御
(4)材料特性評価の難しさ
7-2.将来展望
(1)次世代光材料の探索と統合プラットフォーム
(2)異種材料界面の高度制御技術
(3)マルチ機能ナノ構造による性能拡張
(4)光・電子複合デバイスの産業応用
第3章 電子材料との接合と界面制御技術
1.接合の壁を越えるために:光電融合の成否を握る「境界」の物理
2.理想と現実のギャップ:原子レベルで交錯する諸問題
3.界面が「能動素子」となる:機能創出の舞台としてのActive Interface
4.プロセス技術の静かなる革命:光電融合を支える製造インフラ
5.光電融合材料の最前線~電子材料との接合と界面制御技術~に関する市場規模予測
【図・表1.電子材料との接合と界面制御技術の国内およびWW市場規模予測
(2025-2050年予測)】
【図・表2.電子材料との接合と界面制御技術の技術分類別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表3.電子材料との接合と界面制御技術の技術分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表4.電子材料との接合と界面制御技術の用途分野別国内市場規模予測
【図・表5.電子材料との接合と界面制御技術の用途分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
6.光電融合材料の最前線(3)~電子材料との接合と界面制御技術~に関連する民間企業・大学等の取組動向
6-1.住友電気工業株式会社
(1)はじめに
(2)ヘテロジニアス集積技術の概要とその優位性
(3)Ⅲ-Ⅴ族チップとシリコンウェハの直接接合技術
【図1.InPチップとSOIウェアの接合。模式図(左)、外観(中)、接合断面SEM像(右)】
(4)ヘテロジニアス集積技術が拓く次世代デバイス
【図2.Ⅲ-Ⅴ族/シリコンヘテロ集積技術に基づく
狭線幅波長可変レーザーの概略図(上)と波長可変特性(下)】
(5)フォトニック結晶面発光レーザー(PCSEL)の進展
【図3.InP系PCSEL構造(左)とフォトニック結晶の二次元構造(右)】
(6)光と電子の融合を加速する実装技術:VCBEL
【図4. PICとVCBELの関係。全体模式図(上)、PIC拡大構造 (下左)、
VCBEL 拡大構造(下右)】
(7)おわりに
6-2.大日本印刷株式会社(DNP)
(1)光電コパッケージ基板:AI時代の電気の限界を突破する光配線アーキテクチャ
(2)光が主役になると何が変わるのか――低損失と位置精度が決める新時代の基板要件
(3)ガラス×微細加工で拓く光電融合基板の製造プラットフォーム
【図5.DNPが試作した光電コパッケージ基板】
(4)微細導波路と光接続――光電融合のボトルネックをどう突破するか
(5)欧州フォトニクスの中心地へ――PITC協業が切り開いたグローバル戦略~
(6)微細加工のDNPが担う光電融合エコシステムの要
(7)おわりに
6-3.国立大学法人筑波大学
(1)研究の軌跡:手法の確立から課題の深化へ
【図6.ESR測定用ペロブスカイト太陽電池の構造模式図】
【図7.ESR測定用三元系高分子太陽電池の構造と光活性層】
【図8.暗条件下におけるペロブスカイト/正孔輸送材料積層膜界面での電荷拡散メカニズム】
【図9. (a)ペロブスカイト太陽電池の構造。(b)ICBAと(c)PCBMの分子構造】
(2)丸本研究室が示す未来の太陽電池開発戦略
(3)まとめ
7.光電融合材料の最前線(3)~電子材料との接合と界面制御技術~に関する課題と将来展望
7-1.課題
(1)異種材料界面の構造・化学的不整合
(2)界面電気特性の不安定性
(3)微細加工技術とプロセス統合の難しさ
(4)物理・化学評価技術の限界
7-2.将来展望
(1)原子層精度での界面制御技術の確立
(2)シミュレーション主導の界面設計
(3)高度評価手法の統合化
(4)産業応用に向けたスケールアップ
第4章 二次元材料・ナノ構造による融合制御
1.究極の薄さがもたらす革命:量子閉じ込めが切り拓く新物性
2.光電融合の「万能選手」:格子整合の呪縛からの解放
3.ナノの世界での光制御:プラズモニクスと量子領域の交点
4.二次元材料が拓く「融合アーキテクチャ」の未来
5.光電融合材料の最前線~二次元材料・ナノ構造による融合制御~に関する市場規模予測
【図・表1.二次元材料・ナノ構造による融合制御の国内およびWW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表2.二次元材料・ナノ構造による融合制御の技術分類別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表3.二次元材料・ナノ構造による融合制御の技術分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表4.二次元材料・ナノ構造による融合制御の用途分野別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表5.二次元材料・ナノ構造による融合制御の用途分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
6.光電融合材料の最前線(4)~二次元材料・ナノ構造による融合制御~に関連する民間企業・大学等の取組動向
6-1.学校法人慶應義塾大学
(1)はじめに:なぜ相変化材料が光スイッチに注目されるのか
(2)相変化材料の光学的特性と材料開発の進展
【図1.相変化ゲートスイッチの典型的な構造】
(3)光スイッチの動作原理と構造:光駆動型と電気駆動型
【図2. (a)マッハツェンダー干渉型相変化光スイッチ、
(b)方向性結合型相変化光スイッチの構造】
【図3.電流駆動型相変化スイッチの構造】
(4)技術的課題と今後の展望
(5)まとめ
6-2.国立大学法人東京大学
(1)はじめに:超広帯域光制御の産業的意義と従来技術の限界
(2)新製造プロセスの核:環境非依存の超短パルスレーザー加工とモスアイ構造
【図4.モスアイ構造の模式図】
(3)実証ケース①:宇宙望遠鏡用大口径反射防止窓の開発と実装
【図5.(a)作製された直径300 mmアルミナ基板。(b)モスアイ構造のSEM像。
(c)モスアイ構造の模式図】
(4)実証ケース②:熱分解炭素コーティングによる超広帯域完全吸収体の創出
【図6.(a) PyC膜厚を用いたモスアイ構造のSEM像。(b)(c)拡大図。(d)ラマン分光スペクトル】
(5)産業応用の広がりと研究開発戦略への示唆
(6)おわりに
6-3.学校法人東京理科大学
(1)配位ナノシートとは何か
【図7.金属イオン(丸)とπ共役有機架橋配位子(三角形)が二次元的にネットワークを形成している配位ナノシート(CONASH)の模式図とその特徴・機能・応用】
(2)多様な物性と機能:金属・配位子の選択による設計自由度
【図8.PtとBHTからなるPtDTナノシートの模式図(左)とTEM像(右)】
(3)実用化に向けた応用研究の広がり
【図9. FeとBHTからなるFeBHTナノシートを用いたUV光センサ】
(4)研究開発の新たな段階:インク化と大量合成
【図10.配位ナノシートインク】
(5)未来展望:日本発の新物質科学が拓くもの
6-4.合同会社二次元材料研究所
(1)事業内容:二次元材料の製造・加工・販売
【図11.エピタキシャルCVDで生成したグラフェン4インチウェハ外観】
(2)二次元材料の基礎特性と応用ポテンシャル
(3)核となる技術:エピタキシャルグラフェンCVDと転写技術
【図12.エピタキシャルグラフェンCVD技術(上)と、
サファイア基板上からのグラフェン転写プロセス(下)】
(4)研究開発受託業務:NEDO先導研究への参画
【図13.UVテープを用いたグラフェン転写プロセス】
(5)経済産業省Go-Tech事業:h-BNウエハ開発(2025年度~2027年度)
(6)産業化への展開:分業ネットワーク構築とNanoFoundry
(7)まとめ:二次元材料が描く光電融合の未来像
7.光電融合材料の最前線(4)~二次元材料・ナノ構造による融合制御~に関する課題と将来展望
7-1.課題
(1)二次元材料の欠陥制御と均質性
(2)異種材料・基板との接合課題
(3)ナノ構造制御の難易度
(4)特性評価技術の限界
7-2.将来展望
(1)高精度合成と欠陥制御技術の確立
(2)ナノ構造設計と多機能統合
(3) AI・データ駆動型設計の活用
(4)応用展開と産業実装
第5章 光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計
1.次なる壁と「スピン自由度」の必然性:熱からの解放
2.光スピントロニクスの核心:光とスピンの相互変換
3.超高速磁気メモリと非相反デバイス:新機能創出のフロンティア
4.複合材料設計が拓く「情報機能材料」の未来
5.光電融合材料の最前線~光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計~に関する市場規模予測
【図・表1.光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計の国内およびWW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表2.光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計の技術分類別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表3.光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計の技術分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表4.光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計の用途分野別国内市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
【図・表5.光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計の用途分類別WW市場規模予測
(金額:2025-2050年予測)】
6.光電融合材料の最前線(5)~光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計~に関連する民間企業・大学等の取組動向
6-1.国立大学法人九州大学
(1)磁性ガーネット材料が持つ潜在力と長年の課題
(2)オンアクシス・スパッタリングによる量産適合型TmIG薄膜形成
【図1.オンアクシス・スパッタリング法で作製したTmIG膜の高分解能断面TEM像】
(3)電流誘起磁化反転の世界初実証
【図2.電流パルスによる磁化反転のイメージ図】
(4)メモリを超えて広がる応用展開
【図3.磁気光学式空間光変調器(MOSLM)の模式図とTmIGを応用するメリット】
(5)技術的インパクトと今後の展望
6-2.国立大学法人東北大学
(1)背景と産業的課題:光電融合デバイス実現への「ミッシングリンク」
(2)実証手法:フェムト秒レーザーによる超高速・高感度検出
(3)ブレークスルー:Pt添加がもたらす「軌道角運動量」由来のトルク増大
【図4.純Co薄膜に比べてCo30Pt70合金薄膜の光磁気トルクが約6倍に増強】
【図5.光磁気トルク増大の観測と光軌道トルクのメカニズムの提案】
(4)産業応用へのインパクトと学術的意義
(5)結論と今後の展望:超高速光磁気ストレージの実現へ
6-3.国立大学法人北海道大学
(1)はじめに
(2)量子ドットと希薄窒化物半導体を基盤とする0D-2Dハイブリッドナノ構造
【図6.GaNAsと量子ドットのトンネル結合ナノ構造の模式図。
室温で世界最高の電子スピン偏極率を達成】
(3)室温動作スピン光デバイスの開発
【図7.量子ドットを用いたスピンLEDの模式図。
当時、量子ドット活性層を用いたスピンLEDでは世界最高の室温動作性能を記録】
【図8.スピンPDの動作原理】
(4)将来展望
6-4.国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(QST)
(1)光電融合時代におけるメモリの役割
(2)次世代光電変換不揮発性メモリの創出
(3)モデル試料による光スピン制御と電気的読み出し
【図9.パルス光照射による積層型フェリ磁性体の光スピン制御の結果と
光電融合デバイスの概念図】
(4)光駆動磁気メモリの将来像
(5)まとめ
7.光電融合材料の最前線(5)~光・電子・スピンを結ぶ複合材料設計~に関する課題と将来展望
7-1.課題
(1)光・電子・スピン間の多物理相互作用の理解不足
(2)複合材料設計の自由度と最適化の難しさ
(3)界面・結合の精密制御
(4)高度評価手法の不足
7-2.将来展望
(1)マルチフィジックス設計の高度化
(2)界面設計と接合制御技術の進展
(3)高度評価技術とリアルタイム解析
(4)応用展開と次世代デバイス実装
第6章 応用展開とロードマップ
1.研究室から市場へ:社会実装という「第二の誕生」
2.応用領域別の要求性能と「材料ソリューション」の最適化
3.産業化への道程:物理的な壁を「エコシステム」で越える
4.総括:2030年代に向けたロードマップ
5.光電融合材料の最前線(6)~光電融合材料の応用展開とロードマップ~に関する市場規模予測
【図・表1.光電融合材料全体の国内およびWW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)】
【図・表2.光電融合材料全体の技術分野別国内市場規模予測(金額:2025-2050年予測)】
【図・表3.光電融合材料全体の技術分野別WW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)】
6.光電融合材料の最前線(6)~光電融合材料の応用展開とロードマップ~に関連する民間企業・大学等の取組動向
6-1.デクセリアルズ株式会社
(1)はじめに:ものづくりの「縁の下の力持ち」から、次世代の「接続」のパートナーへ
【図1.デクセリアルズのコア技術】
(2)市場の変革期とデクセリアルズの決断
(3)次の成長領域として選んだ「フォトニクス」
(4)デクセリアルズの光電融合戦略:材料・接合技術からのアプローチ
【図2.フォトニクス領域の成長をリードする統合の結果生まれたDXPS】
(5)技術的深堀り:光電融合が求める材料技術の高度化
(6)具体化するソリューションと生産体制
【図3.フォトダイオードチップ】
【図4.CPOの仕組み】
(7)持続的成長の基盤:オープンイノベーションによる技術探索
(8)協業による課題解決の可能性
(9)まとめ:精密「接続」技術が拓く、光電融合の新地平
6-2.学校法人同志社大学
(1)マイクロLEDの実現に向けた新材料開発と課題
(2)新規蛍光材料の開発:量子ドットから希土類複合体まで
(3)窒化炭素を基盤とした光触媒による水素生成
【図5.グラファイト状窒化炭素(g-C3N4)を光触媒応用】
(4)塗布法による面発光レーザーの作製技術
【図6.塗布法による面発光レーザーの作製】
(5)将来展望:光インターコネクトとチップレット技術
(6)研究室の理念と人材育成
(7)おわりに
6-3.日本電気株式会社(NEC)
(1)はじめに:なぜ今、光電融合なのか
(2)光電融合の鍵「シリコンフォトニクス」の強みと課題
(3)シリコンフォトニクス上に光源を載せる4つのアプローチ
(4)ネットワークを柔軟にする「波長可変・波長変換」技術
【図7.NECが開発中のTLS模式図】
【図8.試作したdual-ITLAと発振スペクトル】
(5)材料開発者の視点:性能を支える技術要素
(6)将来展望:CPOと光電融合の次のステージ
(7)まとめ
6-4.国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)
(1)はじめに:光電融合材料が拓く新たな地平
(2)従来技術の限界と新技術のブレークスルー
(3)開発した技術:炭化ポリマーマイクロビーズ
【図9.(a)クエン酸とポリアミノ酸を主成分とした
マイクロビーズ発光体の水熱合成反応(左)とSEM像(右)。
(b)マイクロビーズに照射する光の波長を変えることで(左)、
マイクロビーズの発光を自在に変化できる(右)】
(4)ウィスパリングギャラリーモードと個体識別能
(5)従来技術との比較優位性
(6)想定される応用分野と実用化シナリオ
(7)今後の課題と研究開発ロードマップ
7.光電融合材料の最前線(6)~光電融合材料の応用展開とロードマップ~に関する課題と将来展望
7-1.課題
(1)技術成熟度のばらつき
(2)異種材料統合とスケールアップ
(3)高度評価・検証技術の不足
(4)応用領域ごとの最適化の難しさ
7-2.将来展望
(1)統合プラットフォームによる材料・デバイス開発の加速
(2)多用途対応型複合材料の創出
(3)高度評価・モニタリング技術の高度化
(4)社会実装とロードマップの明確化